引汉济渭工程秦岭隧洞TBM的刀具选型试验

引汉济渭工程秦岭输水隧洞TBM施工遭遇超硬岩石,在试掘进阶段进度严重滞后于合同计划指标。为了减少刀具更换时间、促进施工进度,将刀具选型试验作为突破口。通过利用各厂家提供的刀具进行TBM试掘进,将每家2把刀具交叉安装在相应刀位上,在试验过程中进行磨损量测试、岩石抗压强度测试。从这两项指标定量分析刀具选型,结合过渡区域刀具磨损量及速率、面刀区域刀具磨损情况、整刀使用寿命、极限磨损情况、2 km试掘进阶段刀具消耗情况,综合评价各类型刀具性能。结果表明,受掌子面平整度、岩石强度及石英含量影响,不同部位的磨损量、变形都存在较大差异,尤其不同处理工艺的刀具,其耐磨值和稳定性决定着TBM的掘进速度。研究成果对超硬岩隧洞TBM刀具的选取具有一定的参考价值,也对刀具材料的研究提供了基础数据。     

TBM施工工法在水电站引水隧洞的应用研究

辽宁省某水利工程引水隧洞存在技术难度高、埋深大、洞线长以及沿线地质灾害突出等特点,有必要选择安全快速的掘进方法确保项目预期发电目标的实现和工程的安全施工,对此深入分析论证和调查研究了TBM工法。结果显示:TBM施工技术在岩石的变形、破坏特征、耐磨性和可钻性等方面具有良好的可行性;相对于传统的钻爆法TBM施工在处理不良地质条件时具有一定的优势,尤其是对于遇地下水、岩爆和大变形等情况能够更好的保护人员与设备的安全;结合超前预报技术方法和先进的技术工艺,TBM施工可有效地处理大中型水电站施工时遇到的一些技术难题。     

CCS水电站输水隧洞工程地质条件分析与处理

为保证CCS水电站输水隧洞双护盾TBM施工正常进行,开展了围岩分类与稳定性评价及隧洞超前地质预报,研究了施工方法,提出了施工技术建议。在双护盾TBM施工过程中,可见的围岩范围较小,无法进行地质素描,根据双护盾TBM施工的技术特点,选择了隧洞掌子面及洞壁小范围的围岩观察、TBM掘进参数分析、局部岩石回弹值测试、岩渣性状分析、地下水特征分析等多种方法获取围岩地质信息,从而对围岩进行分类和稳定性评价。选择了隧洞宏观地质条件分析、施工过程地质条件分析、以地震法和电法为主的物探方法、掌子面超前水平钻探等综合方法对掌子面前方围岩进行探测和预报,根据预报结果有针对性地采取处理措施。针对TBM施工过程中出现的涌水、砂岩砂化、断层破碎带等不良地质条件,建议施工单位采取了超前地质预报及调整掘进参数、堵水、超前灌浆加固围岩等施工方法和技术,TBM顺利通过了不良地质段。     

硬岩隧道掘进机滚刀破岩性能评价研究

为了提高TBM的掘进效率和地质适应性,对TBM滚刀破岩性能评价指标选取及TBM滚刀破岩性能评价方法进行了研究。通过文献阅读及专家调查,最终选取影响TBM滚刀性能的13个指标建立滚刀破岩评价体系;用改进群层次分析法（IGAHP）和基于指标相关性法(CRITIC)对评价指标进行权重计算。基于文献分析确定了13个评价指标的隶属函数,运用模糊综合评判方法,计算TBM施工破岩性能隶属矩阵,确定TBM滚刀破岩性能等级。对新疆某引水隧道4个区段进行滚刀破岩性能评价并与实际施工情况进行对比分析。结果表明：该模型的评价结果基本符合实际情况,所提出的评价方法是可行的。该方法可为TBM选型和滚刀设计优化提供指导。     

秦岭隧洞花岗岩段掘进机滚刀破岩规律及掘进特征

为更好掌握TBM掘进性能，以引汉济渭工程秦岭隧洞花岗岩段为研究对象，通过滚刀破岩试验与施工参数分析，获得了滚刀破岩机理，揭示了掘进速度、设备利用率等TBM掘进性能指标的变化规律。结果表明：在设定地应力条件下，随着贯入度增加，滚刀法向力增大，且其变化幅度增加、变化频率加快，增加了相邻滚刀间形成大岩片的数量；高地应力条件下，因多次发生岩爆，TBM平均掘进速度、设备利用率均较低；现场贯入指标、岩石掘进效率指标沿桩号的变化基本同步，但现场贯入指标能更好评价TBM破岩性能。通过调整支护、清渣和施工组织方式，提高辅助作业效率，并及时调整TBM掘进参数、改进滚刀刀刃材质，可保障TBM高效运行，为该隧洞TBM后续掘进提供相应对策。     

敞开式TBM长隧洞岩石取芯施工

HJ施工三标敞开式TBM施工段,在TBM施工中,通过抽检方式,初步判定隧洞围岩类别岩性~([1])及岩石强度和石英含量等指标与招标文件存在较大差异,围岩指标的变化实际导致了刀盘磨损严重、刀具更换频繁、石粉含量高,出渣皮带损耗大等不良后果,影响了TBM掘进效率发挥,增加了施工成本。为经营索赔提供基础资料,经参建各方研究确定,对TBM掘进段进行全覆盖取芯,对岩芯进行饱和抗压强度及石英含量检测试验,与招标数据进行对比。     

关埠引水隧洞超高强度岩石TBM刀具选型及布置

榕江关埠引水工程输水隧洞采用双护盾TBM掘进机施工,隧洞围岩大部分为弱风化—微风化花岗岩,围岩坚硬完整、岩石强度高(最高强度达190～230MPa)。刀盘是TBM重要部件,刀盘设计的合理性对提高TBM掘进效率,降低施工成本起着决定性的作用。通过对隧洞岩石强度以及滚刀破岩机理综合分析,初步确定刀具形式、滚刀间距、滚刀直径等刀盘参数,为硬岩掘进创造基本条件;通过对滚刀启动扭矩及单刀承载力等的分析,对刀盘初期设计参数进一步优化,适当增加滚刀数量,提高了TBM的掘进效率。     

岩体声波测试在TBM掘进中的应用

在湖北省鄂北地区水资源配置工程宝林隧洞TBM掘进施工中,文中通过现场声波测试确定岩体的松动圈范围及其动弹性模量,为TBM掘进期间隧洞支护设计提供参数,为优化支护设计及合理施工提供了依据。     

TBM施工成本影响因素分析

TBM施工组织是由多个复杂系统构成,各个系统之间相互制约依赖,必须同步协调工作才能保证TBM施工正常开展。影响TBM施工成本的因素很多,但主要因素包括岩石特性参数、TBM性能设计、TBM刀盘布局、TBM掘进参数、刀具质量等。本文根据工程实例,分析了工程中影响TBM施工成本的主要因素,并对TBM施工成本管理提出建议。     

TBM施工隧洞混凝土衬砌轴线的确定

根据TBM施工的特点,论述了TBM掘进轴线与设计洞轴线的关系.在全面满足结构设计、过水能力及质量控制标准的前提下,TBM施工隧洞二次混凝土衬砌轴线采用TBM掘进轴线是合适的.     

TBM净掘进速度预测模型发展现状及参数分析

TBM净掘进速度预测模型能为隧道施工方法选择、施工进度安排和成本估算提供科学依据。本文对国内外32个典型模型开展参数定性和定量分析。根据各模型建模原理可将参数输入过程划分为按逻辑和组合关系输入、作为修正参数输入、直接输入参数三种类型。评价TBM掘进速度的岩体参数以单轴抗压强度、岩石质量指标、隧道与结构面夹角和岩石脆性指数居多,机械参数主要是单刀推力和刀盘转速。通过调整岩体工程特性关键参数影响区间以及引入机械参数,可将钻爆法岩体分类(RMR、RSR、Q_(system))应用到TBM净掘进速度预测。模型参数选取需要权衡简易性和准确性,参数太少虽然简易但影响预测精度,参数过多会导致实际操作繁琐而不利于工程广泛应用。参数选取合理、组合恰当以及权重分配符合实际是净预测模型准确可靠的关键,随着对掘进过程和破岩机理的深入理解,开展与岩-机作用相关的新评价参数研究将是未来发展趋势。     

TBM滚刀破岩机理与影响因素数值模拟研究

为研究全断面岩石掘进机(TBM)滚刀破岩机理与破岩效果影响因素,采用颗粒流程序(PFC)建立滚刀破岩模型,通过单轴压缩与巴西劈裂试验结果,标定PFC程序参数,模拟滚刀破岩过程并对岩石强度、围压等破岩效果影响进行研究分析。结果表明:滚刀破岩历经前期压密、中期挤压剪切、后期挤压张拉破坏的组合破岩模式,整个破岩过程中滚刀出现反复加-卸荷交替及跃进破岩现象。岩石强度过高难以产生径向裂纹、强度过低侧向裂纹扩展不明显,破岩效果均不佳,TBM滚刀只对于中等强度范围内岩石较为合适。围压影响裂纹生成与扩展,较高时将抑制径向裂纹发育,降低破岩整体效果。研究成果可为TBM选型及滚刀设计提供一定参考。     

正、偏楔形盘形滚刀破岩作业载荷对比研究

盘形滚刀是全断面岩石掘进机(TBM)上的关键核心部件,其与岩石的相互作用直接影响TBM的掘进效率和工程成本。研究发现盘形滚刀外形对其与岩石的相互作用有较大影响。论文首先建立了正楔形盘形滚刀作业对象岩石的Drucker-Prager弹塑性模型和正楔形盘形滚刀与其相互作用模型,并用罗科斯巴勒盘形滚刀破岩力预测理论对所建模型进行了验证;以此为基础,论文还建立了偏楔形盘形滚刀与其作业对象岩石的相互作用模型,并分别模拟研究了正楔形盘形滚刀和偏楔形盘形滚刀与岩石的相互作用,从而发现正楔形盘形滚刀在不同安装半径和切深条件下的垂直力、侧向力和滚动力都大于偏楔形盘形滚刀,且偏楔形盘形滚刀在小安装半径和大切深条件下,其破岩载荷较正楔形盘形滚刀减小量较大。论文研究结论为偏楔形盘形滚刀设计理论的工程应用提供了重要参考。     

TBM采用大直径滚刀掘进的优越性

扼要地介绍了挪威硬岩TBM掘进速度与刀具磨损的研究成果及大直径滚刀在大伙房水库输水工程中的应用情况。研究和实践都表明,采用大直径滚刀掘进的优越性在于:大直径滚刀推力大,破岩能力强,掘进速度快;降低刀具损耗,进而降低工程成本;延长刀圈寿命,减少掘进过程中的换刀频次,从而提高TBM的利用率。采用大直径滚刀是大断面硬岩TBM的发展方向。     

中国首台单护盾TBM设备优化改造研究

甘肃省引洮供水一期工程总干渠7号隧洞围岩主要由上第三系Ⅴ类软-极软岩组成,采用单护盾TBM开挖掘进施工,针对围岩特性、设备运行状况与功能缺陷,以及遇到的各类问题,对设备主机机头刀盘及盾体进行了全面优化技术改造,并重点对盾体前伸护盾结构进行了三维有限元分析。施工实践表明:设备优化技术改造获得成功,技术性能得到全面提升,有效提升了施工效率、质量及安全,取得平均月成洞进尺1 094.0 m的优异成绩,创造了中国首台单护盾TBM在含水疏松粉细砂极软岩地层中的开挖掘进施工记录。可为各类盾构机的设计制造和工程运用提供良好借鉴。     

复合地层土压平衡盾构施工技术研究

以苏州轨道交通3号线为工程实例,研究土压平衡(EPB)盾构在复合地层中的施工技术。苏州轨道交通3号线何山路站至苏州乐园站区间隧道通过108 m"上软(土)下硬(岩)"的复合地层,工程风险极大,需在设计和施工阶段采取必要的风险控制措施。在设计阶段:通过改变隧道纵坡,缩短复合地层段长度;通过改良TBM刀盘设计,优化机械运行参数,实现盾构机械参数和地层物理参数的匹配;通过对隧道上部松散土体静压注浆加固和在建筑物与隧道间安装隔离桩,控制地层变形和保护邻近建筑物;采用三维数值模拟预测隧道开挖引起的地层变形和建筑物沉降,为工程决策提供依据。在施工阶段:对于软土、复合地层和硬岩段采用不同盾构运行模式和掘进参数;掘进过程采用六个主要参数指标进行控制;采用在盾构机前方开挖竖井进行损坏刀箱、刀具的更换。施工监测显示:实测地表和建筑物沉降与三维有限元预测、Peck经验公式预测结果吻合良好,地表沉降控制在2. 0cm以内,邻近建筑物沉降控制在3 mm以内。工程的顺利实施为国内其他类似复合地层隧道盾构掘进工程提供有益借鉴。     

软岩隧洞TBM施工中围岩变形预测研究

TBM施工过程中,为防止软岩变形导致卡机事故的发生,需要对围岩变形进行准确的预测。以巴基斯坦N-J水电站为研究对象,通过对围岩变形监测数据的反演分析,得到其蠕变参数,并采用反演得到的蠕变参数对大埋深洞段的围岩变形进行预测。结果表明,TBM在软岩段掘进过程中,围岩除了产生明显的弹塑性变形外还会出现明显的蠕变变形,且蠕变变形在TBM在开挖后的几小时内会迅速增加,增大了TBM卡机风险。建议TBM在软岩段掘进过程中,在保证安全的前提下尽可能快速通过。     

水工隧洞TBM施工适宜性围岩分类研究

隧洞掘进机TBM已逐渐成为水工深埋长隧洞的常规施工方法,而现行规范的围岩分类主要以隧洞围岩稳定性和支护措施为判别因素,仅适用于钻爆法隧洞。为此,梳理国内外不同工程的围岩分类指标体系和TBM施工特点,在隧洞围岩基本分类的基础上,重点分析了TBM掘进效率和不良地质条件,构建了TBM施工适宜性围岩分类方法。总结大量工程案例,综合权衡超硬岩、岩爆、断层破碎带、大变形、突涌水(涌泥)和高外水压力六个关键因素对TBM施工的定量影响,提出了可量化围岩分类指标。工程应用表明,TBM施工适宜性围岩分类方法可依据工程地质资料快捷完成围岩分类,能有效指导TBM隧洞施工,且具有较好的通用性和易用性。     

基于数量化理论I的双护盾TBM掘进速度预测研究

以甘肃引洮一期工程9#隧洞为例,引入数量化理论I的建模原理和方法,建立了定性数据包括围岩类别和地下水情况2个解释变量,定量数据包括单轴抗压强度、抗拉强度、泊松比和变形模量4个解释变量的预测模型,研究了双护盾TBM施工掘进速度的影响因素,并从理论上证实了该预测模型的可靠性。结果表明：在同等围岩力学参数条件下,围岩稳定性越好越有利于TBM的施工,反之则会阻碍施工进度,且阻碍效应会随着地下水的增多而增强;岩石的泊松比、抗拉强度对TBM掘进速度呈显著正效应,而单轴抗压强度和变形模量呈负效应。通过对实测值和预测值的比较发现,二者掘进速度的相对误差绝对值为0.23%~5.38%,平均值为0.39%,说明预测模型用于双护盾TBM掘进速度的预测是可靠的,并可用于同类工程施工进度的预测和工程进度的控制管理。